一种面向IR-UWB的低功耗抗干扰可变增益放大器

本发明涉及射频集成电路，具体一种面向ir-uwb的低功耗抗干扰可变增益放大器。

背景技术：

1、脉冲宽带无线电ir-uwb，近年来获得了业界的广泛关注，其主要应用于以下领域：室内定位、传感器网络、医疗监测、汽车应用、消费电子。这些应用得益于ir-uwb的高时间分辨率和低功耗特性，使其适合在复杂环境中进行精确的安全测距和定位应用。

2、当然，在传统技术下脉冲宽带无线电接收机也面临着一些挑战，在多路径干扰下，ir-uwb由于其宽频带特性，容易受到多路径效应的影响，导致信号在接收时出现干扰；在功耗管理下，ir-uwb需要在极低功耗下实现高精度定位和数据传输，这对设计提出了挑战。

3、近期，国际通信协会已经授权在6-7.125ghz频段内使用wi-fi 6e技术，其有效辐射功率可达25dbm。这一变化对现有的802.15.4a/z接收器产生了干扰问题。通常情况下，互易混频是导致wi-fi阻塞干扰影响802.15.4a/z接收器灵敏度的主要原因。考虑到wi-fi阻塞信号在7ghz频段以25dbm的功率发射，在0.5米的距离处，进入802.15.4a/z接收器的功率大约为-18dbm。面对这样的阻塞电平(pin_bkr＝-18dbm)，对于一个具有典型噪声系数为6.5db的接收机来说，为了保证性能，其输入的参考互易混频必须低于-80.5dbm，因此，这要求802.15.4a/z接收机具备极强的干扰抑制能力。

4、现有技术提出了一种1t3r uwb收发器架构，该架构允许同时从三个天线接收信号，并将uwb脉冲串发送到任何专用天线；该收发器可以重新配置为1t1r或1t2r模式，实现节能应用。它的核心接收电路模块包括低噪声放大器lna、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器、自动增益控制器和低通滤波器组成。该低噪声放大器lna基于cascode结构，在输入端采用两个电感来实现宽带匹配，利用晶体管nmos3做分流以实现增益控制；跨导放大器基于常规反向器的结构；无源混频器由4相lo时钟驱动。其它的跨阻放大器、自动增益控制器和低通滤波器也都是常见电路。

5、现有技术的结构最大的问题就是在于缺乏有效的干扰抑制能力，不能胜任临近频段wi-fi 6e的干扰注入。同时，在ghz低频段常见的n-path滤波技术也无法应用在这里，因为无法产生如此高频的分频器电路，且高频下分频器电路功耗也会很惊人(功耗正比于频率的平方倍∝f2)。

6、为此解决上述的问题，我们提供了面向ir-uwb的抗干扰低噪声放大器lna和线性可变跨导器电路，解决了在ir-uwb应用中普遍存在的干扰抑制难题，同时也提高了电路的功耗效率，增强了接收机的灵活性和适应性。

技术实现思路

1、一种面向ir-uwb的低功耗抗干扰可变增益放大器，包括：低噪声放大器lna、可变增益跨导放大器vgta；

2、所述低噪声放大器lna用以接收来自天线的微弱射频信号，对其进行放大处理；

3、所述可变增益跨导放大将低噪声放大器lna输出的电压信号转换为电流信号，根据接收的电流信号强度的变化来调节增益；

4、所述低噪声放大器lna输出端和可变增益跨导放大器vgta输入端，经过低噪声放大器lna放大后的射频信号会直接传递给可变增益跨导放大器vgta，由可变增益跨导放大器vgta进一步转换为电流信号，进行增益调节；

5、所述低噪声放大器lna包括：pmos管m1、nmos管m2、pmos管m3、nmos管m4、pmos管m5、nmos管m6；电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5；电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；变压器t；参考电压vb1、vb2、vb3、vb4；宽带网络l0、c0；

6、所述可变增益跨导放大器vgta包括：pmos管m7、pmos管m8、nmos管m9、nmos管m10、pmos管m11、nmos管m12、pmos管m13、nmos管m14、pmos管m15、nmos管m16、nmos管m17、pmos管m18、nmos管m19；电容c6、电容c7；电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8；开关s1、s2；电压比较器cmp。

7、优选的，所述低噪声放大器lna的输入端为rf_in，所述低噪声放大器lna的输出端为rf_out，所述低噪声放大器lna的输出端rf_out与可变增益跨导放大器vgta的输入端vi连接；所述输入的射频信号输入低噪声放大器lna的端口rf_in单端，低噪声放大器lna的宽带l0、c0匹配电路，进入低噪声放大器lna内部，信号放大后由低噪声放大器lna的端口rf_out单端输出，经过可变增益跨导放大器vgta转换为电流信号，进行增益调节。

8、优选的，所述低噪声放大器lna的pmos管m1、m3、m5具体的连接方式：

9、所述pmos管m1的漏端与电阻r1的另一端、电容c3的一端、nmos管m4的漏端、pmos管m5的源端连接，栅端与电容c1的另一端、电阻r3的一端连接，源端接vdd；

10、所述pmos管m3的漏端与电阻r2的一端、电容c3的一端、nmos管m2的漏端和nmos管m6的源端连接，栅端与电容c1的另一端、电阻r3的一端连接，源端接vdd；

11、所述pmos管m3漏端与变压器t的d端、电容c5的另一端连接，作为低噪声放大器lna的输出端rf_out，栅端与参考电压vb3连接，源端与pmos管m1的漏端、电容c3的一端和nmos管m4的漏端连接。

12、优选的，所述低噪声放大器lna的nmos管m2、m4、m6具体的连接方式：

13、所述nmos管m2的漏端与电阻r2的一端、电容c3的一端、pmos管m3的漏端和nmos管m6的源端连接，栅端与电容c2的另一端、电阻r4的一端连接，源端接地；

14、所述nmos管m4的漏端与电阻r1的一端、电容c3的一端、pmos管m1的漏端和pmos管m5的源端连接，栅端与电容c2的一端、电阻r4的一端连接，源端接地；

15、所述nmos管m6的漏端与变压器t的b端、电容c4的一端连接，栅端与参考电压vb4连接，源端与pmos管m3的漏端、nmos管m2的漏端和电容c3的另一端连接。

16、优选的，所述低噪声放大器lna的电容c1、c2、c3、c4、c5具体连接方式：

17、所述电容c1一端与电阻r1的一端、电阻r2的一端、电容c2的一端连接，作为低噪声放大器lna的输入端rf_in；电容c1另一端与电阻r3的一端、pmos管m1的栅端、pmos管m3的栅端连接；

18、所述电容c2一端与电阻r1的一端、电阻r2的一端、电容c1的一端连接，作为低噪声放大器lna的输入端rf_in；电容c2另一端：与电阻r4的一端、nmos管m2的栅端、nmos管m4的栅端连接；

19、所述电容c3一端与电阻r1的另一端、pmos管m1的漏端、nmos管m4的漏端、pmos管m5的源端连接；电容c3另一端与电阻r2的另一端、nmos管m2的漏端、pmos管m3的漏端、nmos管m6的源端连接；

20、所述电容c4一端与变压器t的a端、vdd连接；电容c4另一端与变压器t的b端、nmos管m6的漏端连接；

21、所述电容c5一端与变压器t的c端、地连接；电容c5另一端与变压器t的d端、pmos管m5的漏端连接，作为低噪声放大器lna的输出端rf_out。

22、优选的，所述低噪声放大器lna的电阻r1、r2、r3、r4具体连接方式：

23、所述电阻r1一端与电阻r2的一端、电容c1的一端、电容c2的一端连接，作为低噪声放大器lna的输入端rf_in；电阻r1的另一端与pmos管m1的漏端、电容c3的一端、nmos管m4的漏端、pmos管m5的源端连接；

24、所述电阻r2一端与电阻r1的一端、电容c1的一端、电容c2的一端连接，作为低噪声放大器lna的输入端rf_in；电阻r2的另一端与nmos管m2的漏端、电容c3的另一端、pmos管m3的漏端、nmos管m6的源端连接；

25、所述电阻r3一端与电容c1的另一端、pmos管m1的栅端、pmos管m3的栅端连接，电阻r3的另一端与参考电压vb1连接；

26、所述电阻r4一端：与电容c2的另一端、nmos管m2的栅端、nmos管m4的栅端连接，电阻r4的另一端：与参考电压vb2连接。

27、优选的，所述可变增益跨导放大器vgta的pmos管m7、m8、m11、m13、m15、m18具体的连接方式：

28、所述pmos管m7的源端与电容c6的一端、pmos管m8的源端、pmos管m15的源端连接；pmos管m7的栅端与电容c6的另一端、pmos管m8的漏端、nmos管m9的漏端连接；pmos管m7的漏端与电容c7的一端、nmos管m9的栅端、电阻r6的一端、pmos管m13的源端、nmos管m16的栅端、pmos管m18的源端和cmp的同向输入端连接；

29、所述pmos管m8的源端与pmos管m7的源端、pmos管m15的源端连接；pmos管m8的栅端与pmos管m15的栅端、pmos管m15的漏端、nmos管m16的漏端连接；pmos管m8的漏端与pmos管m7的栅端、nmos管m9的漏端连接；

30、所述pmos管m11的源端与电阻r6的另一端连接；pmos管m11的栅端与pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；pmos管m11的漏端与nmos管m10的栅端、pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；pmos管m11的衬底端：与pmos管m13的衬底端、pmos管m18的衬底端、开关s1的一端连接；

31、所述pmos管m13的栅端与pmos管m11的栅端、pmos管m11的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；pmos管m13的漏端与pmos管m11的栅端、pmos管m11的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；pmos管m13的源端与pmos管m7的漏端、电阻r6的一端、nmos管m9的栅端、nmos管m16的栅端、pmos管m18的源端、cmp的同向输入端连接；

32、所述pmos管m15的源端与pmos管m7的源端、pmos管m8的源端连接；pmos管m15的栅端与pmos管m8的栅端、pmos管m8的漏端、nmos管m16的漏端连接；pmos管m15的漏端与pmos管m8的栅端、pmos管m8的漏端、nmos管m16的漏端连接；

33、pmos管m18的栅端与电阻r8的一端、nmos管m19的栅端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输入端vi；pmos管m18的漏端与电阻r8的另一端、nmos管m19的漏端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输出端iout；pmos管m18的源端与pmos管m7的漏端、电容c7的一端、nmos管m9的栅端、电阻r6的一端、pmos管m13的源端、nmos管m16的栅端、cmp的同向输入端连接。

34、优选的，所述可变增益跨导放大器vgta的nmos管m9、m10、m12、m14、m16、m17、m19具体的连接方式：

35、所述nmos管m9的源端与nmos管m10的漏端连接；nmos管m9的漏端与pmos管m7的栅端、pmos管m8的漏端连接；nmos管m9的栅端与电容c7的一端、pmos管m7的漏端、电阻r6的一端、pmos管m13的源端、nmos管m16的栅端、pmos管m18的源端、cmp的同向输入端连接；

36、所述nmos管m10源端与电阻r5的一端连接；nmos管m10的漏端：与nmos管m9的源端连接；nmos管m10的栅端与pmos管m11的栅端、pmos管m11的漏端、nmos管m12的栅端、nmos管m12的漏端连接；nmos管m10的衬底端与nmos管m12的衬底端、nmos管m14的衬底端、nmos管m17的衬底端、nmos管m19的衬底端、开关s2的一端连接；

37、所述nmos管m12的源端与电阻r7的一端连接；nmos管m12的漏端与nmos管m10的栅端、pmos管m11的栅端、pmos管m11的漏端、nmos管m12的栅端连接；nmos管m12的栅端与nmos管m10的栅端、pmos管m11的栅端、pmos管m11的漏端、nmos管m12的漏端连接；nmos管m12的衬底端与nmos管m10的衬底端、nmos管m14的衬底端、nmos管m17的衬底端、nmos管m19的衬底端、开关s2的一端连接；

38、所述nmos管m14的源端：接地；nmos管m14的漏端与pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m17的栅端连接；nmos管m14的栅端与pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；nmos管m14的衬底端与nmos管m10的衬底端、nmos管m12的衬底端、nmos管m17的衬底端、nmos管m19的衬底端、开关s2的一端连接；

39、所述nmos管m16的源端与pmos管m13的源端、pmos管m18的源端、pmos管m7的漏端、电容c7的一端、nmos管m9的栅端、电阻r6的一端、cmp的同向输入端连接；nmos管m16的漏端与pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端、nmos管m17的栅端连接；

40、所述nmos管m17的源端接地；nmos管m17的漏端与pmos管m16的源端、pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端连接；nmos管m17的栅端与pmos管m13的栅端、pmos管m13的漏端、nmos管m14的栅端、nmos管m14的漏端连接；nmos管m17的衬底端与nmos管m10的衬底端、nmos管m12的衬底端、nmos管m14的衬底端、nmos管m19的衬底端、开关s2的一端连接；

41、所述nmos管m19的源端接地；nmos管m19的漏端与pmos管m18的漏端、电阻r8的另一端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输出端iout；nmos管m19的栅端与pmos管m18的栅端、电阻r8的一端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输入端vi；nmos管m19的衬底端与nmos管m10的衬底端、nmos管m12的衬底端、nmos管m14的衬底端、nmos管m17的衬底端、开关s2的一端连接。

42、优选的，所述可变增益跨导放大器vgta的电容c6和c7具体的连接方式：

43、所述电容c6一端与pmos管m7的源端、pmos管m8的源端、pmos管m15的源端连接；电容c6的另一端与pmos管m7的栅端、pmos管m8的漏端、nmos管m9的漏端连接；

44、所述电容c7一端与pmos管m7的漏端、nmos管m9的栅端、电阻r6的一端、pmos管m13的源端、nmos管m16的栅端、pmos管m18的源端、cmp的同向输入端连接；电容c7另一端接地。

45、优选的，所述可变增益跨导放大器vgta的电阻r5、r6、r7、r8具体的连接方式：

46、所述电阻r5一端与nmos管m10的源端连接，另一端接地；

47、所述电阻r6一端与pmos管m7的漏端、nmos管m9的栅端、pmos管m13的源端、nmos管m16的栅端、pmos管m18的源端、cmp的同向输入端连接；电阻r6另一端与pmos管m11的源端连接；

48、所述电阻r7一端与nmos管m12的源端连接，另一端接地；

49、所述电阻r8一端与pmos管m18的栅端、nmos管m19的栅端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输入端vi；电阻r8另一端与pmos管m18的漏端、nmos管m19的漏端连接，作为可变增益跨导放大器vgta的输出端iout。

50、相对于现有技术，本发明的技术效果如下：

51、本发明显著提高抗干扰能力，通过在低噪声放大器lna中采用电容耦合的互补cascode结构，并在输出端集成了带有7位开关控制电容的变压器耦合带通滤波器，本发明实现了对邻近频段干扰的有效抑制，尤其是在wi-fi 6e频段附近。这种改进使得lna能够在存在强干扰的情况下依然保持良好的性能，满足了802.15.4a/z接收机对高干扰抑制能力的需求。

52、本发明的电路设计采用22nm cmos fdsoi工艺，工作电压仅为0.8v，覆盖ir-uwb5-10ghz的工作频率范围。整个接收机的总功耗仅为7.6mw，显著低于现有技术中报道的类似设计，这使得本发明成为低功耗ir-uwb通信应用的理想选择。

53、本发明改善线性度和增益控制，通过可变增益跨导放大器vgta基于反相器结构，并利用背栅偏置反馈特性，通过电压比较器自动调节衬底偏置。这种方法使得vgta能够在不同工作条件下保持良好的线性度和增益控制，同时降低了功耗。特别是通过背栅偏置控制实现了更宽的增益线性调节范围，这对于ir-uwb通信系统来说非常重要，因为它有助于提高系统的整体性能和可靠性。

54、本发明的低噪声放大器lna采用电容耦合的互补cascode结构，并在输出端集成了带有c4、c5调谐电容的变压器耦合带通滤波器，实现干扰抑制和低压低功耗。

55、本发明的可变增益跨导放大器vgta基于反相器，利用背栅偏置反馈特性，实现cmp自动调节偏置情况：当跨导器电源vddi<0.7v时，通过电阻r调谐实现对gm的调节控制；当获得更大gm时，会出现vddi>0.7v时，此时cmp触发翻转受控电路的衬底偏置降低了阈值电压，实现用较低的vddi换取更宽的gm线性调节范围，利于电路的增益、线性度、功耗优化控制。

56、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

57、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。